KR102643209B1 - 반도체 소자의 과전류 보호 방법 및 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 WBG 반도체 소자의 빠른 스위칭속도로 인한 노이즈에 의한 오류 발생을 방지할 수 있는 반도체 소자의 과전류 보호 방법 및 보호 장치에 관한 것으로, a) 반도체 소자의 드레인단과 소스단 사이의 전압인 Vds를 센싱하는 단계, b) 비교기에서 상기 Vds를 기준 전압인 Vref와 비교하는 단계 및 c) 제어부에서 상기 Vds가 Vref이상이면, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON시키는 단계를 포함하며, 상기 a) 단계, 상기 b) 단계 및 상기 c) 단계는 반복 수행되고, 상기 c) 단계에서 상기 제어부는, 상기 Vds가 Vref보다 작고, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON된 상태이면, 상기 a) 단계, 상기 b) 단계 및 상기 c) 단계가 기설정된 횟수만큼 반복 수행된 이후, 상기 턴 오프 시간조절 스위치를 OFF시키는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 소자의 과전류 보호 방법 및 보호 장치{Overcurrent protection method and device for semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 과전류 보호 방법 및 보호 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 WBG 소자 게이트를 구동시 발생하는 과전류를 보호할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래 WBG 소자를 구동하는 구동부에서는, WBG 소자에 과전류가 흘렀을 때, 크게 두 가지 방법으로 과전류를 보호한다. 그 중 하나는 구동부의 DESAT 로직을 활용하는 방법으로, WBG 소자에 과전류 발생시 구동부에서 전원을 차단하여 WBG 소자의 동작을 중단하는 방법이고, 나머지 하나는 비교기를 이용하여 기생 커패시터의 에너지 소모량을 조절해, 턴 오프 시간을 조절하는 방식이다.

도 1은 종래 WBG 소자의 턴 오프 시간을 조절하는 순서도를 도시한 것이다.

도1 에 도시된 바와 같이, 종래의 방식은 WBG 소자의 Vds 전압을 센싱하고, 센싱된 Vds 전압이 기준전압보다 큰 경우, 비교기를 동작시키고 이에 연결된 WBG 소자의 턴 오프 시간 조절 로직 스위치를 동작시켜, WBG 소자의 동작을 멈추는 방식으로 구성된다. 이러한 방식은 WBG 소자의 빠른 스위칭 속도로 인해, 기준시간동안 큰 전압 변화량이 발생하고 이에 따라 스위칭 노이즈가 발생하기 때문에, 비교기가 동작하더라도 노이즈에 인해 센싱 전압인 Vds나, 기준 전압이 불안정해질 수 있는 문제점이 있다.

한국등록특허공보 제10-2322428호("과전류를 방지하는 입력 필터가 구비된 직접형 매트릭스 컨버터 시스템", 공고일 2021년 11월 05일)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법 및 보호 장치의 목적은, WBG 반도체 소자의 빠른 스위칭속도로 인한 노이즈에 의한 오류 발생을 방지할 수 있는 반도체 소자의 과전류 보호 방법 및 보호 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법은, a) 반도체 소자의 드레인단과 소스단 사이의 전압인 Vds를 센싱하는 단계, b) 비교기에서 상기 Vds를 기준 전압인 Vref와 비교하는 단계 및 c) 제어부에서 상기 Vds가 Vref이상이면, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON시키는 단계를 포함하며, 상기 a) 단계, 상기 b) 단계 및 상기 c) 단계는 반복 수행되고, 상기 c) 단계에서 상기 제어부는, 상기 Vds가 Vref보다 작고, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON된 상태이면, 상기 a) 단계, 상기 b) 단계 및 상기 c) 단계가 기설정된 횟수만큼 반복 수행된 이후, 상기 턴 오프 시간조절 스위치를 OFF시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반도체 소자는 WBG(Wide Band Gap) 반도체 소자인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기준전압은, 상기 반도체 소자의 정격 전압보다 낮은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 장치는, 반도체 소자와 병렬로 연결되는 과전류 보호부, 상기 과전류 보호부와 직렬로 연결되는 턴 오프 시간조절 스위치, 상기 반도체 소자의 드레인단과 소스단 사이의 전압인 Vds를 입력받고, 상기 Vds를 기준전압인 Vref와 비교하는 비교기 및 상기 비교기에서 상기 Vds가 Vref이상이면, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON시키고, 상기 비교기에서 상기 Vds가 Vref보다 작고, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON된 상태이면, 기설정된 시간 후 상기 턴 오프 시간조절 스위치를 OFF하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과전류 보호부는, 상기 반도체 소자와 병렬로 연결되는 저항 및 상기 반도체 소자와 직렬로 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기준전압은, 상기 반도체 소자의 정격 전압보다 낮은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반도체 소자는, WBG(Wide Band Gap) 반도체 소자인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법 및 보호 장치에 의하면, 과전류가 흐르지 않는 조건, 즉 반도체 소자의 드레인단과 소스단 사이의 전압이 기준전압보다 낮더라도, 턴 오프 시간조절 스위치가 바로 OFF되지 않고 일정 시간이 지연된 후 OFF되어, WBG 반도체 소자의 빠른 스위칭으로 인한 스위칭 노이즈로 인해 기준 전압이 변화하거나 턴 오프 시간조절 스위치가 오작동 하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 WBG 소자의 턴 오프 시간을 조절하는 순서도를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 장치의 회로도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법의 순서도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ∼사이에와 바로 ∼사이에 또는 ∼에 인접하는과 ∼에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 장치의 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법의 순서도이다.

본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법은, 도 3에 도시되어 있는 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 장치를 이용해 수행되는 것이기 때문에, 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법과 보호 장치를 함께 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 장치는, 반도체 소자(10)에 흐르는 과전류를 방지하기 위한 것으로, 과전류 보호부(100), 턴 오프 시간조절 스위치(200), 비교기(300) 및 제어부(400)를 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 과전류 보호부(100)는 반도체 소자(10)와 병렬로 연결되며, 턴 오프 시간조절 스위치(200)는 과전류 보호부(100)와 직렬로 연결된다. 즉, 서로 직렬로 연결된 턴 오프 시간조절 스위치(200)와 과전류 보호부(100)는 반도체 소자(10)와 병렬로 연결된다. 상기한 반도체 소자(10)는 WBG(Wide Band Gap) 반도체 소자일 수 있다. WBG 반도체 소자는 실리콘과 같은 기존의 반도체를 구성하는 소자보다 에너지 밴드갭이 더 넓은 물질을 사용하는 반도체 소자이다. WBG 반도체 소자에 사용되는 재료의 예로는, 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN) 등이 있을 수 있다. WBG 반도체 소자는 기존 반도체 소자에 비해 더 빠른 스위칭 속도, 더 높은 작동 온도 및 더 높은 항복 전압 특성을 가지기 때문에, WBG 반도체 소자는 종래의 반도체 재료보다 효율성, 전력 밀도 및 열 성능에 있어서 향상되는 효과를 가진다.

비교기(300)는 반도체 소자의 드레인단(D)과 소스단(S) 사이의 전압, 즉 Vds를 입력받고, Vds를 기준전압인 Vref와 비교한다. 본 실시예에서 비교기(300)의 Vds는 +단으로 입력되고, Vref는 ??단으로 입력된다. 비교기(300)는 +단으로 입력되는 Vds가 ??단으로 입력되는 Vref보다 크면 하이(High)값을 출력하고, 작으면 로우(Low)값을 출력한다. 도 2에서는 도시되지 않았지만, 비교기(300)에는 비교기(300)의 동작을 위한 전압이 연결되고, 비교기(300)의 일부분은 접지될 수 있다. 비교기(300)는 제어부(400)로 하이 또는 로우값을 출력한다.

제어부(400)는 비교기(300)에서 출력되는 값과, 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치(200)의 ON/OFF 상태에 따라 턴 오프 시간조절 스위치(200)의 ON/OFF를 제어한다. 제어부(400)는 칩과 같은 전자부품 또는 전자부품을 포함하는 장치로 구현될 수 있으며, 비교기(300)로부터 값을 입력받고, 턴 오프 시간조절 스위치(200)로 제어신호를 송신하기 위해, 비교기(300) 및 턴 오프 시간조절 스위치(200)와 유선 또는 무선 방식으로 연결되어, 신호를 주고받도록 구성될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법은, 순차적으로 수행되되, 반복 수행되는 a) ~ c) 단계를 포함한다.

a) 단계는 반도체 소자의 드레인단과 소스단 사이의 전압, 즉 Vds를 센싱한다. a) 단계는 일종의 전압센서에 의해 수행될 수 있으며, 이를 위해 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 장치는 반도체 소자(10)의 Vds를 센싱하기 위한 전압센서를 더 포함할 수 있다.

b) 비교기(300)에서 상기 Vds를 기준 전압인 Vref와 비교한다. 비교기(300)에서 Vds≥Vref일 경우, 하이값을 출력하고, 비교기(300)에서 Vds<Vref일 경우, 로우값을 출력한다.

c) 단계는 제어부(400)에서 수행하며, Vds≥Vref이면, 반도체 소자(10)의 턴 오프 시간조절 스위치(200)를 ON시키며, 이를 통해 반도체 소자(10)가 소프트 스위칭되도록 유도한다.

c) 단계에서 제어부(400)는 Vds<Vref이면, 반도체 소자(10)의 턴 오프 시간조절 스위치(200)의 상태가 ON 또는 OFF인지를 판단한다. 제어부(400)는 턴 오프 시간조절 스위치(200)의 상태가 OFF일 경우 턴 오프 시간조절 스위치(200)의 상태를 OFF로 유지하며, 턴 오프 시간조절 스위치(200)의 상태가 ON일 경우, a) ~ c) 단계가 기설정된 횟수만큼 반복 수행된 후, 턴 오프 시간조절 스위치(200)가 OFF되도록 제어한다. 즉, c) 단계는 턴 오프 시간조절 스위치(200)를 즉각적으로 OFF시키지 않도록 하기 위한 것인데, 이는 노이즈로 인해 비교기(300)로 입력되는 Vref가 달라져, 턴 오프 시간조절 스위치(200)가 ON된 상태에서 OFF되는 것을 방지하기 위함이다.

도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법에서 설정된 반복 수행되는 횟수는, 총 11회로, 이는 도 3에 도시된 순서도 상에서 a) 단계 ~ c) 단계가 반복 수행될 때 마다 k의 값은 증가되고, k의 값이 0부터 10이 될 때, 턴 오프 시간조절 스위치(200)의 전원을 OFF하는 것을 통해 설정된다. k의 값 자체는 턴 오프 시간조절 스위치(200)가 OFF되면, 초기화되어 차후 비교기(300)를 통해 턴 오프 시간조절 스위치(200)가 다시 ON되더라도, a) 단계 ~ c) 단계가 소정 횟수 반복 수행된 후 OFF되도록 할 수 있다.

도 2에 도시된 과전류 보호부(100)는 반도체 소자(10)와 병렬로 연결되되, 서로 직렬로 연결되는 저항(R) 및 커패시터(C)를 포함할 수 있다. 저항(R)은 반도체 소자(10)의 게이트단를 통과하는 전류의 크기를 제한하며, 커패시터(C)는 특정 전압레벨까지 충전된다. 커패시터(C)의 전압이 특정 전압레벨까지 도달하면 반도체 소자(10)의 게이트 전압은 급격히 감소하여 OFF된다. 이러한 과정을 통해 일정 정도의 지연시간이 발생하게 되고, 반도체 소자(10)에는 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하여 반도체 소자(10)를 보호할 수 있다. 단, 본 발명은 과전류 보호부(100)를 서로 직렬로 연결되는 저항(R)과 커패시터(C)로 한정하는 것은 아니며, 저항(R) 및 커패시터(C) 외에도, 반도체 소자(10)와 병렬로 연결되는 다이오드, 반도체 소자(10)와 직렬로 연결되는 NTC 써미스터, 직렬 인덕턴스 등을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 반도체 소자의 과전류 보호 방법 및 보호 장치에서 사용되는 기준전압인 Vref는 반도체 소자(10)의 정격 전압보다 낮을 수 있다. 이는 노이즈에 의해 Vref의 값이 변화하더라도, 변화한 값 또한 반도체 소자(10)의 정격 전압보다 낮도록 하기 위한 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 기술 사상은 개시된 각각의 실시예 뿐 아니라, 개시된 실시예들의 조합을 포함하고, 나아가, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물로서 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10 : 반도체 소자
100 : 과전류 보호부
200 : 턴 오프 시간조절 스위치
300 : 비교기
400 : 제어부
R : 저항
C : 커패시터

Claims (7)

1. a) 반도체 소자의 드레인단과 소스단 사이의 전압인 Vds를 센싱하는 단계;
   b) 비교기에서 상기 Vds를 기준 전압인 Vref와 비교하는 단계; 및
   c) 제어부에서 상기 Vds가 Vref이상이면, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON시키는 단계;
   를 포함하며,
   상기 a) 단계, 상기 b) 단계 및 상기 c) 단계는 반복 수행되고,
   상기 c) 단계에서 상기 제어부는,
   상기 Vds가 Vref보다 작고, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON된 상태이면, 상기 a) 단계, 상기 b) 단계 및 상기 c) 단계가 기설정된 횟수만큼 반복 수행된 이후, 상기 턴 오프 시간조절 스위치를 OFF시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 과전류 보호 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 반도체 소자는 WBG(Wide Band Gap) 반도체 소자인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 과전류 보호 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 기준전압은,
   상기 반도체 소자의 정격 전압보다 낮은 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 과전류 보호 방법.
   
4. 반도체 소자와 병렬로 연결되는 과전류 보호부;
   상기 과전류 보호부와 직렬로 연결되는 턴 오프 시간조절 스위치;
   상기 반도체 소자의 드레인단과 소스단 사이의 전압인 Vds를 입력받고, 상기 Vds를 기준전압인 Vref와 비교하는 비교기; 및
   상기 비교기에서 상기 Vds가 Vref이상이면, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON시키고, 상기 비교기에서 상기 Vds가 Vref보다 작고, 상기 반도체 소자의 턴 오프 시간조절 스위치를 ON된 상태이면, 기설정된 시간 후 상기 턴 오프 시간조절 스위치를 OFF하는 제어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 과전류 보호 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 과전류 보호부는,
   상기 반도체 소자와 병렬로 연결되는 저항; 및
   상기 반도체 소자와 병렬로 연결되는 커패시터;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 과전류 보호 장치.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 기준전압은,
   상기 반도체 소자의 정격 전압보다 낮은 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 과전류 보호 장치.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 반도체 소자는,
   WBG(Wide Band Gap) 반도체 소자인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 과전류 보호 장치.